JP3732448B2

JP3732448B2 - スポット接合ツール

Info

Publication number: JP3732448B2
Application number: JP2002049687A
Authority: JP
Inventors: 秀夫山城; 直杉本; 政一郎山下; 卓巳川崎
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003245783A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わされた複数の金属板をスポット的に接合していくスポット接合において使用されるスポット接合ツールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、アルミニウム合金等の金属板をスポット的に接合する方法として、抵抗スポット溶接による接合、リベットやネジによる機械的接合が知られている。さらに、最近では、例えば特開２００１−３１４９８２号公報に記載されるように、複数の重ね合わされた金属板からなる被接合材に、軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され、前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主としてショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化させ、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールを用いて被接合材同士を接合する摩擦攪拌スポット接合方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したアルミニウム合金等の金属板をスポット的に接合する方法には、次のような欠点がある。
【０００４】
前記抵抗スポット溶接による接合では大容量の電力を必要とし溶接電極の消耗が激しい等の問題があり、リベットやネジによる機械的接合では接合部材を多数必要とする問題がある。
【０００５】
また、従来の摩擦攪拌スポット接合方法では、スポット接合ツールは、本体胴部の下部外周から小径の中央ピンに至るショルダー部の形状として、平面タイプのものや、逆テーパー状のものを備えるものがある。いずれの接合ツールの場合も、塑性流動化した被接合材を攪拌する機能を有する中央ピンは、被接合材を貫通しないように被接合材の重ね合わせ厚さの和よりやや短いが、上側の被接合材の上面から下側の被接合材の下面付近まで延びる長さであり、かつ直径は一定である。また、塑性流動化を生じさせる熱源となるショルダー部は、被接合材同士が接する接合部から中央ピンが進入する側の被接合材の板厚を隔てた部分で摩擦熱を発生させており、この板厚の隔たりが熱の拡散を生じ加熱効率を減じる一因となっている。そのため、必要な加熱量を確保するには摩擦面積の増加を目的に熱源となるショルダー部の外径を大きくする必要がある。
【０００６】
すなわち、この種のスポット接合継手では、被接合材同士のナゲットと呼ばれる接合部の面積が大きいほど接合強度は増加する傾向にある。従って、接合強度の向上を行うには接合部面積の増大を目的に、ショルダー部の外径を大きくする必要があるが、被接合材同士の接合部と非接合部の境界となるナゲット端と呼ばれる接合部外縁部は被接合材同士が股さき状の形状となるため、外部から荷重が負荷された場合には、この部分で応力集中が生じやすく、亀裂発生の起点となるおそれがある。
【０００７】
また、前記ショルダー部の外径を大きくすると、密なスポット間隔が得られず、総合的な継手強度の向上が望めなくなるとともに、接合時の接合ツールに負荷する押圧力も増加するおそれがある。それに加えて、ショルダー部での被接合材表面は摩擦のために削られ、この部分での被接合材の肉厚は母材厚さよりも薄くなる傾向にある。
【０００８】
このようなスポット接合継手に過度な外力が負荷された場合には、前述したようにナゲット端が亀裂の起点となり、その上側の薄肉部に向かって亀裂が進行し、破壊を生じる。また、薄肉部が過度に薄い場合には、この部分から亀裂を生じて破壊する場合もある。
【０００９】
さらに、これらの点について、図４（ａ）（ｂ）に基づいて詳述する。このスポット接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂは、図示しない駆動手段により、上下方向（図（ａ）（ｂ）の矢印Ｔ方向）に移動自在であり、かつ回転自在（図４（ａ）（ｂ）の矢印Ｒ方向）に構成されている。
【００１０】
このスポット接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを用いてスポット接合する場合には、例えば重ね合わせた２枚の被接合材２，３の所定の接合位置（接合点）に、接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを回転させながら下降させる（ここで、被接合材２，３はアルミ板でも銅板でも鉄板でもよい）。前記接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂの中央ピン１２’，１２”が下降すると、先ず、上側に載置された被接合材２の上面に中央ピン１２’，１２”が当接し、その後ショルダー部１３’、１３”が当接する。ショルダー部１３’，１３”と被接合材２との接触面で摩擦熱が生じ、接合部４’，４”近傍に熱を供給することにより、ショルダー部１３’、１３”及び接合部４’，４”近傍の被接合材２，３が塑性流動化するので、中央ピン１２’，１２”でこれを攪拌することにより接合部４’，４”を形成する。その後、接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを抜き、接合部４’，４”が冷却硬化すれば接合は完了する。
【００１１】
このような従来のスポット接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂはいずれも塑性流動化した被接合材２，３を攪拌する機能を有する中央ピン１２’，１２”は、下側の被接合材３を貫通しないように被接合材２，３の重ね合わせ厚さよりやや短いが、上側の被接合材２の上面から下側の被接合材３の下面付近まで延びる長さであり、かつそれらの直径ｄ，ｄ’は一定である。一方、塑性流動化を生じさせる熱源となるショルダー部１３’，１３”は被接合材２，３同士が接する接合部４’，４”から接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂが進入する上側の被接合材２の板厚Ｌ０を隔てた部分で摩擦熱を発生させているが、中央ピン１２’、１２”が前述したような長さを有することから、前記摩擦熱の発生部分と接合部４’，４”とが被接合材２の板厚Ｌ０に相当する距離だけ離れることになり、熱の拡散を生じて加熱効率を減じる一因となっている。そこで、必要な加熱量を確保するには、前述したように、摩擦面積の増加を目的にショルダー部１３’、１３”の外径Ｄ，Ｄ’を大きくする必要がある。
【００１２】
しかしながら、前記ショルダー部１３’，１３”は、それぞれ、図４（ａ）に示す略水平面形状または図４（ｂ）に示す逆テーパー面形状であり、スポット接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを押し込んだ際に、流動化状態の被接合材は中央ピン１２’，１２”およびショルダー部１３’，１３”により押し退けられる。そして、スポット接合ツール１０１Ａ，１０１Ｂを引き抜いた後、流動化状態の被接合材が硬化すると、上部に載置された被接合材２の接合部上面の形状は、窪みを生じており、肉厚が接合部４’，４”の外縁部近傍で一部薄く形成された断面となっている。このように、接合部４’，４”の大きさを示す直径Ｃ２，Ｃ２’の先端部（ナゲット端）での上部被接合材２の板厚Ｌ２，Ｌ２’は元の板厚Ｌ０より薄くなっているので、被接合材２，３同士を引き離す外力が加えられると、接合部４’，４”の外縁（ナゲット端）から当該薄肉部に向け又は該薄肉部から亀裂Ｋ、Ｋ’が生じ、接合部４’，４”が孤立し被接合材２，３同士を接合する役目を果さなくなり、結果として接合力の低下につながる。
【００１３】
本発明の目的は、複数の金属製の被接合材を摩擦攪拌スポット接合する際に、ショルダー部の直径の増大、これに伴う押圧力の増大を押さえるとともに、接合継手強度の低下を防止するスポット接合ツールを提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主として前記ショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化し、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールであって、前記中央ピンは、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものであり、前記ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状であることを特徴としている。ここで、「前記中央ピンは、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有する」とは、被接合材が２枚の場合には、中央ピンが上側の被接合材のみを貫通するので、上側の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有するという意味であり、被接合材が３枚の場合には、３枚のうち上側に位置する２枚のみを中央ピンが貫通するので、上側の２枚の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有するという意味である。つまり、被接合材の枚数にかかわらず、最も下側に位置する被接合材を除いた残りの被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するという意味である。また、「若干長い長さ」とは、被接合材が２枚の場合には中央ピンが下側の被接合材に、被接合材が３枚の場合には最も下側（上から３枚目）の被接合部材に、塑性流動化した被接合材を攪拌するのを損なわない程度に進入できる長さがあればよいという意味である。
【００１５】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、前記中央ピンが、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものに過ぎないので、摩擦熱を発生するショルダー部を、従来の被接合材上面よりも、被接合材同士が接合される接合部に接近させることができる。そのために、加熱効率が向上し、塑性流動領域を増やして前記接合部の外縁直径（ナゲット径）の増大が図れる。このことから、継手強度の増加に寄与する。そして、従来と同様な継手強度を確保するものとすると、ショルダー部の面積と接合ツールに負荷される押圧力を小さくすることができる。
【００１６】
また、ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状としているので、ショルダー部によって案内されて塑性流動材料が板厚方向へ流れ込みやすくなり、この点からも継手強度の増加を図りやすくなる。
【００１７】
請求項２に係る発明は、前記ショルダー部に塑性流動化した被接合材を収納するポケット部を形成し、前記ポケット部は、前記接合部の外縁直径（ナゲット径）よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上の容積を有し、前記接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が前記中央ピン進入側の被接合材の板厚以上であることが望ましい。
【００１８】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、ポケット部を利用して、塑性流動化して押し退けられる被接合材を収納し貯留することが可能となり、ショルダー部での被接合材表面の摩擦による肉厚の減少が防止される。よって、硬化後の被接合材の肉厚の減少を防止すると共に、従来の接合継手に比べ強度が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスポット接合ツールの実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。
【００２０】
図１及び図２は本発明に係るスポット接合ツールとこれが適用されるスポット接合部の断面図である。本発明にいうスポット接合とは、まず、金属製の板材である被接合材２，３を重ね合わせて、例えば台座５に載置し、スポット接合ツール１を押圧しつつ高速回転させながら被接合材２，３の接合点に適用してスポット接合するものである。
【００２１】
このスポット接合に用いるスポット接合ツール１は、例えば図１（ａ）に示すように、軸線に沿って突出する中央ピン１２と、この中央ピン１２の上側に連接され前記中央ピン１２より大径の本体胴部１１と、この本体胴部１１の下部外周から中央ピン１２に至るショルダー部１３を有する。そして、主として前記ショルダー部１３と被接合材２，３との摩擦により接合部４に熱（摩擦熱）を供給する。この熱により接合部４近傍の被接合材２，３を塑性流動化し、これを中央ピン１２で攪拌混合し、その後に、前記接合ツール１を引き抜いて、硬化させて接合する。このように、スポット接合ツール１を引き抜いて硬化させた後に接合部４が形成される。被接合材２と被接合材３とは、所定ピッチで形成された接合部４により断続的に接合された構造となる。
【００２２】
前記中央ピン１２は、前記中央ピン１２が進入する側の被接合材２の厚さと略同等な長さを有する。なお、本例では、被接合材２，３が２枚であるので、前記中央ピン１２が貫通して進入する単数又は複数の被接合材の厚さに相当する長さより若干長い長さを有するようにして、ショルダー部１３を接合部４に接近させるために、前記中央ピン１２が進入する側の被接合材２の厚さと略同等な長さを有するようにしているのである。
【００２３】
前記摩擦熱の発生源となるショルダー部１３は、中央ピン１２の上端位置から中央ピン１２の上方に向かって直径が徐々に増加するように形成されている。このようなショルダー部１３を形成することにより被接合材２，３同士が接合される接合部４に前記ショルダー部１３を接近させることができ、加熱効率が向上する。そのために、従来と同様な継手強度を確保する際には、ショルダー部１３の面積（外縁直径）と接合ツール１に負荷される押圧力を小さくすることが可能となる。
【００２４】
前記スポット接合ツール１を被接合材２，３に押し込む量は、被接合部材２，３同士の重ね合わせ部より下方で、下側にセットされた被接合材３を突き抜けない位置までである。よって、下側の被接合材３の表面（底面）３ａは綺麗な面を保ち、製品の外表面として利用可能な面となる。
【００２５】
なお、摩擦面積を増加させる必要がある場合には、図１（ｂ）に示す接合ツール１Ａのように、前記ショルダー部１３Ａを本体胴部１１Ａに接するところで水平（水平部分１３ａ）に延長すればよい。また、前記ショルダー部１３，１３Ａは、図１（ａ）や図１（ｂ）に示すように、上方に向かって直線的に直径が増大する円錐形状とする必要はなく、図１（ｃ）（ｄ）に示す接合ツール１Ｂ，１Ｄのように、ショルダー部１３Ｂ，１３Ｄを、上方に向かって曲線的に直径が徐々に増大する断面曲線形状とすることもできる。
【００２６】
また、図２に示す接合ツール１Ｃのように、ショルダー部１３Ｃに、塑性流動化した被接合材２，３を収納するポケット部１０を形成することができる。このポケット部１０の直径Ｂは、接合部４の外縁直径（ナゲット径）Ｃ１よりも大きく、かつ接合部４外縁からポケット部１０で形成される中央ピン進入側の被接合材２上面に至る距離（最短距離）Ｃ３が被接合材２（母材）の板厚Ｌ０以上となるように設定されている。このようにすれば、例えば図１（ｂ）に示すように本体胴部１１に連接するところで水平方向に延長し、摩擦面積を増加させるショルダー部とする必要がある場合において、前記水平方向に拡がるショルダー部１３Ｃでの被接合材表面での摩擦による肉厚減少部分に、塑性流動化した被接合材が流れ込みやすくなることから、特に板厚に寄与し、肉厚の減少を防止することができ、継手強度の向上に効果がある。
【００２７】
前記ショルダー部１３Ｃに形成するポケット部１０の容積は、中央ピン１２が被接合材２に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上であるように形成する必要がある。
【００２８】
このようにポケット部１０を設ければ、ショルダー部１３Ｃでの被接合材２表面での摩擦による肉厚減少部分に対し、塑性流動化して押し退けられる被接合材を確実に収納し貯留することができることから、硬化後の被接合材の肉厚減少を防止することができる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、中央ピンを、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものとしたので、ショルダー部を、被接合材同士が接合される接合部に接近させ、加熱効率を向上させて塑性流動領域を増やすことができる。これにより、前記接合部の外縁直径（ナゲット径）の増大を図り、継手強度の増加に寄与できる。また、ショルダー部を、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状としているので、塑性流動材料がショルダー部によって案内されて板厚方向へ流れ込みやすくなり、この点からも継手強度の増加を図る上で有利となる。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、前記ショルダー部に、ポケット部（接合部の外縁直径（ナゲット径）よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上の容積を有する）を形成し、接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が前記中央ピン進入側の被接合材の板厚以上となるようにしているので、塑性流動化して押し退けられる被接合材を収納し貯留することが可能となり、ショルダー部での被接合材表面の摩擦による肉厚減少（硬化後の被接合材肉厚の減少）を防止し、従来の接合継手に比べ強度が向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスポット接合ツールが適用されるスポット接合ツールと接合部の断面図であり、（ａ）はショルダー部が上方に向かって直線的に径が増大する円錐形状のスポット接合ツールの例を示し、（ｂ）はショルダー部の外縁部に水平部を設けたスポット接合ツールの例を示し、（ｃ）（ｄ）はショルダー部が上方に向かって曲線状に径が増大するスポット接合ツールの例を示す。
【図２】本発明に係るスポット接合ツールが適用され、ショルダー部の一部にポケット部を形成したスポット接合ツールと接合部の断面図である。
【図３】従来のスポット接合ツールと接合部の断面図であり、（ａ）はショルダー部が平坦なスポット接合ツールの例を示し、（ｂ）はショルダー部が逆テーパー状のスポット接合ツールの例を示す。
【符号の説明】
１，１Ａ〜１Ｄスポット接合ツール
２被接合材
３被接合材
４接合部
１０ポケット部
１１本体胴部
１２中央ピン
１３，１３Ａ〜１３Ｄショルダー部
Ｂポケット部の外径
Ｃ１，Ｃ２接合部の直径（ナゲット径）
Ｃ３接合部外縁（ナゲット端）からポケット部で形成される中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離
Ｄショルダー部の直径（外径）
ｄ中央ピンの直径

Claims

軸線に沿って突出する中央ピンと、該中央ピンの上側に連接され前記中央ピンより大径の本体胴部と、該本体胴部の下部外周から前記中央ピンに至るショルダー部とを有し、複数の重ね合わされた金属製の被接合材の接合点に、押圧かつ回転しながら前記中央ピンを進入し、主として前記ショルダー部と被接合材との摩擦により接合部に熱を供給するとともに、この熱により前記接合部近傍の被接合材を塑性流動化し、これを前記中央ピンで攪拌することにより接合するスポット接合ツールであって、
前記中央ピンは、最も下側に位置する前記被接合材を除いた残りの前記被接合材の厚さの和に相当する長さより若干長い長さを有するものであり、
前記ショルダー部は、前記中央ピンの上端位置から前記中央ピンの上方に向かって直径が徐々に増加する形状であることを特徴とするスポット接合ツール。
前記ショルダー部に塑性流動化した被接合材を収納するポケット部を形成し、
前記ポケット部は、前記接合部の外縁直径（ナゲット径）よりも大きな直径を有し、かつ、前記中央ピンが被接合材に進入する際に、塑性流動化して押し退けられる被接合材の容量以上の容積を有し、
前記接合部外縁から中央ピン進入側の被接合材上面に至る距離が前記中央ピン進入側の被接合材の板厚以上であることを特徴とする請求項１に記載のスポット接合ツール。